Bóson de Higgs - Higgs boson

Bóson de Higgs
Candidate Higgs Events in ATLAS and CMS.png
Eventos do bóson de Higgs do candidato a partir de colisões entre prótons no LHC . O evento principal no experimento CMS mostra um decaimento em dois fótons (linhas amarelas tracejadas e torres verdes). O evento inferior no experimento ATLAS mostra um decaimento em quatro múons (faixas vermelhas).
Composição Partícula elementar
Estatisticas Bosônico
Status Uma partícula com massa de 125 GeV foi descoberta em 2012 e mais tarde confirmada como o bóson de Higgs com medições mais precisas.
(Veja: Status atual )
Símbolo
H0
Teorizado R. Brout , F. Englert , P. Higgs , GS Guralnik , CR Hagen e TWB Kibble (1964)
Descoberto Large Hadron Collider (2011–2013)
Massa 125,10 ± 0,14 GeV / c 2
Vida média 1,56 × 10 −22  s (previsto)
Decai em
Carga elétrica 0 e
Carga de cor 0
Rodar 0
Isospin fraco - 1/2
Hipercarga fraca +1
Paridade +1

O bóson de Higgs é uma partícula elementar no modelo padrão da física de partículas produzida pela excitação quântica do campo de Higgs, um dos campos da teoria da física de partículas . No modelo padrão, a partícula de Higgs é um bóson escalar massivo com spin zero , sem carga elétrica e sem carga de cor . Também é muito instável, decaindo em outras partículas quase imediatamente.

Seu nome é uma homenagem ao físico Peter Higgs , que em 1964, junto com outros cinco cientistas, propôs o mecanismo de Higgs para explicar por que algumas partículas têm massa . (As partículas adquirem massa de várias maneiras, mas uma explicação completa para todas as partículas tinha sido extremamente difícil.) Esse mecanismo exigia que uma partícula sem spin conhecida como bóson existisse com as propriedades descritas pela teoria do mecanismo de Higgs. Essa partícula foi chamada de bóson de Higgs.

Em 2012, uma partícula subatômica com as propriedades esperadas foi descoberta pelos experimentos ATLAS e CMS no Large Hadron Collider (LHC) no CERN perto de Genebra , na Suíça. A nova partícula foi posteriormente confirmada para corresponder às propriedades esperadas de um bóson de Higgs.

Em 10 de dezembro de 2013, dois dos físicos, Peter Higgs e François Englert , receberam o Prêmio Nobel de Física por suas previsões teóricas. Embora o nome de Higgs tenha passado a ser associado a essa teoria (o mecanismo de Higgs), vários pesquisadores entre 1960 e 1972 desenvolveram de forma independente diferentes partes dela.

Na grande mídia, o bóson de Higgs costuma ser chamado de " partícula de Deus " do livro de 1993, The God Particle, do ganhador do Prêmio Nobel Leon Lederman , embora o apelido não seja endossado por muitos físicos.

Introdução

O modelo padrão

Os físicos explicam as propriedades das forças entre as partículas elementares em termos do Modelo Padrão  - uma estrutura amplamente aceita para a compreensão de quase tudo na física fundamental, exceto a gravidade . (Uma teoria separada, a relatividade geral , é usada para a gravidade.) Nesse modelo, as forças fundamentais na natureza surgem de propriedades de nosso universo chamadas invariância de calibre e simetrias . As forças são transmitidas por partículas conhecidas como bósons de calibre .

O problema da massa do bóson de calibre

As teorias de campo foram usadas com grande sucesso na compreensão do campo eletromagnético e da força forte , mas por volta de 1960 todas as tentativas de criar uma teoria invariante de calibre para a força fraca (e sua combinação com o eletromagnetismo de força fundamental , a interação eletrofraca ) tinham consistentemente falhou, com as teorias de calibre começando a cair em descrédito como resultado. O problema era que a teoria dos invariantes de calibre contém requisitos de simetria , e estes previram incorretamente que os bósons de calibre da força fraca ( W e Z ) deveriam ter massa zero. É conhecido por experimentos que eles têm massa diferente de zero. Isso significava que a invariância do calibre era uma abordagem incorreta ou outra coisa - desconhecida - estava dando a essas partículas sua massa. No final da década de 1950, os físicos não haviam resolvido essas questões e ainda eram incapazes de criar uma teoria abrangente para a física de partículas, porque todas as tentativas de resolver esse problema apenas criavam problemas mais teóricos.

Quebra de simetria

No final da década de 1950, Yoichiro Nambu reconheceu que a quebra espontânea da simetria , um processo em que um sistema simétrico termina em um estado assimétrico, poderia ocorrer sob certas condições. Em 1962, o físico Philip Anderson , trabalhando no campo da física da matéria condensada , observou que a quebra de simetria desempenhava um papel na supercondutividade e pode ter relevância para o problema de invariância de calibre na física de partículas. Em 1963, isso se mostrou teoricamente possível, pelo menos para alguns casos limitados ( não relativísticos ).

Mecanismo de Higgs

Seguindo os artigos de 1962 e 1963, três grupos de pesquisadores publicaram independentemente os artigos de quebra de simetria PRL de 1964 com conclusões semelhantes e para todos os casos, não apenas alguns casos limitados. Eles mostraram que as condições para a simetria eletrofraca seriam "quebradas" se um tipo incomum de campo existisse em todo o universo e, de fato, algumas partículas fundamentais adquiririam massa . O campo necessário para que isso acontecesse (que era puramente hipotético na época) ficou conhecido como campo de Higgs (em homenagem a Peter Higgs , um dos pesquisadores) e o mecanismo pelo qual levou à quebra de simetria, conhecido como mecanismo de Higgs . Uma característica chave do campo necessário é que levaria menos energia para o campo ter um valor diferente de zero do que um valor zero, ao contrário de todos os outros campos conhecidos, portanto, o campo de Higgs tem um valor diferente de zero (ou expectativa de vácuo ) em todos os lugares . Este valor diferente de zero poderia, em teoria, quebrar a simetria eletrofraca. Foi a primeira proposta capaz de mostrar como os bósons calibre de força fraca poderiam ter massa apesar de sua simetria governante, dentro de uma teoria invariante de calibre.

Embora essas idéias não tenham ganhado muito apoio ou atenção inicial, em 1972 elas haviam se desenvolvido em uma teoria abrangente e provado ser capaz de dar resultados "sensatos" que descreviam com precisão partículas conhecidas na época, e que, com precisão excepcional, previam várias outras partículas descobertas durante os anos seguintes . Durante a década de 1970, essas teorias rapidamente se tornaram o modelo padrão da física de partículas.

Campo de Higgs

O modelo padrão inclui um campo do tipo necessário para "quebrar" a simetria eletrofraca e dar às partículas sua massa correta. Este campo, denominado "Campo de Higgs", existe em todo o espaço e quebra algumas leis de simetria da interação eletrofraca , acionando o mecanismo de Higgs. Portanto, faz com que os bósons calibres W e Z da força fraca sejam massivos em todas as temperaturas abaixo de um valor extremamente alto. Quando os bósons de força fraca adquirem massa, isso afeta a distância que eles podem viajar livremente, que se torna muito pequena, também coincidindo com os achados experimentais. Além disso, percebeu-se posteriormente que o mesmo campo também explicaria, de maneira diferente, por que outros constituintes fundamentais da matéria (incluindo elétrons e quarks ) têm massa.

Ao contrário de todos os outros campos conhecidos, como o campo eletromagnético , o campo de Higgs é um campo escalar e tem um valor médio diferente de zero no vácuo .

O "problema central"

Ainda não havia nenhuma evidência direta de que o campo de Higgs existisse, mas mesmo sem prova do campo, a precisão de suas previsões levou os cientistas a acreditar que a teoria poderia ser verdadeira. Na década de 1980, a questão de saber se o campo de Higgs existia e, portanto, se todo o modelo padrão estava correto, passou a ser considerada uma das mais importantes questões sem resposta na física de partículas .

Por muitas décadas, os cientistas não tiveram como determinar se o campo de Higgs existia, porque a tecnologia necessária para sua detecção não existia naquela época. Se o campo de Higgs existisse, seria diferente de qualquer outro campo fundamental conhecido, mas também era possível que essas idéias-chave, ou mesmo todo o Modelo Padrão, estivessem de alguma forma incorretas.

O mecanismo hipotético de Higgs fez várias previsões precisas. Uma previsão crucial era que uma partícula correspondente chamada "bóson de Higgs" também deveria existir. Provar a existência do bóson de Higgs poderia provar se o campo de Higgs existia e, portanto, finalmente provar se a explicação do Modelo Padrão estava correta. Portanto, houve uma extensa busca pelo bóson de Higgs , como uma forma de provar que o próprio campo de Higgs existia.

A existência do campo de Higgs tornou-se a última parte não verificada do Modelo Padrão da física de partículas, e por várias décadas foi considerada "o problema central da física de partículas".

Pesquisa e descoberta

Embora o campo de Higgs exista em todos os lugares, provar sua existência não foi nada fácil. Em princípio, pode-se provar que existe detectando suas excitações , que se manifestam como partículas de Higgs (o bóson de Higgs ), mas estas são extremamente difíceis de produzir e detectar, devido à energia necessária para produzi-las e sua produção muito rara, mesmo que a energia é suficiente. Portanto, várias décadas se passaram antes que a primeira evidência do bóson de Higgs fosse encontrada. Coletores de partículas , detectores e computadores capazes de procurar bósons de Higgs levaram mais de 30 anos (c. 1980-2010) para se desenvolver.

A importância desta questão fundamental levou a uma busca de 40 anos , ea construção de uma das mais do mundo caras e complexas instalações experimentais até à data, CERN 's Large Hadron Collider , em uma tentativa de criar bósons de Higgs e outras partículas para a observação e estude. Em 4 de julho de 2012, a descoberta de uma nova partícula com uma massa entre 125 e127  GeV / c 2 foi anunciado; os físicos suspeitaram que fosse o bóson de Higgs. Desde então, foi demonstrado que a partícula se comporta, interage e decai de muitas das maneiras previstas para partículas de Higgs pelo Modelo Padrão, além de ter paridade par e spin zero , dois atributos fundamentais de um bóson de Higgs. Isso também significa que é a primeira partícula escalar elementar descoberta na natureza.

Em março de 2013, a existência do bóson de Higgs foi confirmada e, portanto, o conceito de algum tipo de campo de Higgs em todo o espaço é fortemente apoiado.

A presença do campo, agora confirmada por investigação experimental, explica porque algumas partículas fundamentais têm massa , apesar das simetrias controlando suas interações implicando que elas deveriam ser sem massa. Ele também resolve vários outros enigmas de longa data, como o motivo da distância extremamente curta percorrida pelos bósons da força fraca e, portanto, o alcance extremamente curto da força fraca.

A partir de 2018, pesquisas aprofundadas mostram que a partícula continua a se comportar de acordo com as previsões para o bóson de Higgs do modelo padrão. Mais estudos são necessários para verificar com maior precisão se a partícula descoberta possui todas as propriedades previstas, ou se, conforme descrito por algumas teorias, existem múltiplos bósons de Higgs.

A natureza e as propriedades deste campo estão agora sendo investigadas com mais detalhes, usando mais dados coletados no LHC.

Interpretação

Várias analogias foram usadas para descrever o campo de Higgs e o bóson, incluindo analogias com efeitos de quebra de simetria bem conhecidos, como o arco - íris e o prisma , campos elétricos e ondulações na superfície da água.

Outras analogias baseadas na resistência de macroobjetos se movendo pela mídia (como pessoas se movendo em meio a multidões ou alguns objetos se movendo em xarope ou melaço ) são comumente usadas, mas enganosas, uma vez que o campo de Higgs não resiste realmente às partículas, e o efeito da massa é não causado por resistência.

Visão geral das propriedades

No modelo padrão, a partícula de Higgs é um bóson escalar massivo com spin zero , sem carga elétrica e sem carga de cor . Também é muito instável, decaindo em outras partículas quase imediatamente. O campo de Higgs é um campo escalar , com dois componentes neutros e dois eletricamente carregados que formam um dupleto complexo da simetria SU (2) da isospin fraca . O campo de Higgs é um campo escalar com potencial de " formato de chapéu mexicano ". Em seu estado fundamental , isso faz com que o campo tenha um valor diferente de zero em todos os lugares (incluindo o espaço vazio) e, como resultado, abaixo de uma energia muito alta, ele quebra a simetria isospin fraca da interação eletrofraca . (Tecnicamente, o valor esperado diferente de zero converte os termos de acoplamento Yukawa de Lagrangiano em termos de massa.) Quando isso acontece, três componentes do campo de Higgs são "absorvidos" pelos bósons de calibre SU (2) e U (1) (os " Mecanismo de Higgs ") para se tornarem os componentes longitudinais dos agora massivos bósons W e Z da força fraca . O componente eletricamente neutro restante se manifesta como uma partícula de Higgs ou pode se acoplar separadamente a outras partículas conhecidas como férmions (por meio de acoplamentos Yukawa ), fazendo com que também adquiram massa .

Significado

As evidências do campo de Higgs e de suas propriedades têm sido extremamente significativas por muitos motivos. A importância do bóson de Higgs é amplamente que ele pode ser examinado usando o conhecimento existente e a tecnologia experimental, como uma forma de confirmar e estudar toda a teoria do campo de Higgs. Por outro lado, a prova de que o campo de Higgs e o bóson não existem também teria sido significativa.

Física de partículas

Validação do Modelo Padrão

O bóson de Higgs valida o modelo padrão por meio do mecanismo de geração de massa . À medida que medições mais precisas de suas propriedades são feitas, extensões mais avançadas podem ser sugeridas ou excluídas. À medida que meios experimentais para medir os comportamentos e interações do campo são desenvolvidos, este campo fundamental pode ser melhor compreendido. Se o campo de Higgs não tivesse sido descoberto, o Modelo Padrão teria que ser modificado ou substituído.

Relacionado a isso, geralmente existe uma crença entre os físicos de que é provável que haja "nova" física além do Modelo Padrão , e o Modelo Padrão será em algum ponto estendido ou substituído. A descoberta de Higgs, bem como as muitas colisões medidas ocorrendo no LHC, fornecem aos físicos uma ferramenta sensível para pesquisar seus dados por qualquer evidência de que o Modelo Padrão parece falhar, e pode fornecer evidências consideráveis ​​orientando os pesquisadores em desenvolvimentos teóricos futuros.

Quebra de simetria da interação eletrofraca

Abaixo de uma temperatura extremamente alta, a quebra da simetria eletrofraca faz com que a interação eletrofraca se manifeste em parte como a força fraca de curto alcance , que é carregada por bósons de calibre massivos . Na história do universo, acredita-se que a quebra da simetria eletrofraca aconteceu logo após o big bang quente, quando o universo estava a uma temperatura de 159,5 ± 1,5  GeV . Essa quebra de simetria é necessária para a formação de átomos e outras estruturas, bem como para as reações nucleares em estrelas, como o nosso Sol . O campo de Higgs é responsável por essa quebra de simetria.

Aquisição de massa de partícula

O campo de Higgs é fundamental na geração das massas de quarks e léptons carregados (por meio do acoplamento de Yukawa) e dos bósons de calibre W e Z (por meio do mecanismo de Higgs).

É importante notar que o campo de Higgs não "cria" massa do nada (o que violaria a lei de conservação de energia ), nem é o campo de Higgs responsável pela massa de todas as partículas. Por exemplo, aproximadamente 99% da massa dos bárions ( partículas compostas , como próton e nêutron ), é devido, em vez da energia de ligação cromodinâmica quântica , que é a soma das energias cinéticas dos quarks e as energias dos glúons sem massa mediando o forte interação dentro dos bárions. Nas teorias baseadas em Higgs, a propriedade de "massa" é uma manifestação da energia potencial transferida para partículas fundamentais quando elas interagem ("acoplam") com o campo de Higgs, que continha essa massa na forma de energia .

Campos escalares e extensão do modelo padrão

O campo de Higgs é o único campo escalar (spin 0) a ser detectado; todos os outros campos no Modelo Padrão são férmions de spin  12 ou bósons de spin 1. De acordo com Rolf-Dieter Heuer , diretor geral do CERN quando o bóson de Higgs foi descoberto, essa prova de existência de um campo escalar é quase tão importante quanto o papel de Higgs na determinação da massa de outras partículas. Isso sugere que outros campos escalares hipotéticos sugeridos por outras teorias, do ínflaton à quintessência , talvez também possam existir.

Cosmologia

Inflaton

Tem havido considerável pesquisa científica sobre as possíveis ligações entre o campo de Higgs e o inflaton  - um campo hipotético sugerido como a explicação para a expansão do espaço durante a primeira fração de segundo do universo (conhecida como a " época inflacionária "). Algumas teorias sugerem que um campo escalar fundamental pode ser responsável por esse fenômeno; o campo de Higgs é um desses campos, e sua existência levou a artigos que analisam se ele também poderia ser o ínflaton responsável por essa expansão exponencial do universo durante o Big Bang . Essas teorias são altamente provisórias e enfrentam problemas significativos relacionados à unitariedade , mas podem ser viáveis ​​se combinadas com recursos adicionais, como grande acoplamento não mínimo, um escalar de Brans-Dicke ou outra "nova" física, e eles receberam tratamentos sugerindo que Os modelos de inflação de Higgs ainda são de interesse teoricamente.

Natureza do universo e seus possíveis destinos

Diagrama mostrando o bóson de Higgs e as massas do quark superior , o que pode indicar se nosso universo é estável ou uma 'bolha' de vida longa . Em 2012, a elipse 2  σ baseada nos dados do Tevatron e do LHC ainda permite as duas possibilidades.

No Modelo Padrão, existe a possibilidade de que o estado subjacente de nosso universo - conhecido como "vácuo" - tenha vida longa, mas não completamente estável . Nesse cenário, o universo como o conhecemos poderia ser efetivamente destruído por colapso em um estado de vácuo mais estável . Isso às vezes era erroneamente relatado como o bóson de Higgs "terminando" o universo. Se as massas do bóson de Higgs e do quark top são conhecidas com mais precisão, e o modelo padrão fornece uma descrição precisa da física de partículas até energias extremas da escala de Planck , então é possível calcular se o vácuo é estável ou apenas longo. vivia. Uma massa de 125-127 GeV Higgs parece estar extremamente perto do limite para estabilidade, mas uma resposta definitiva requer medições muito mais precisas da massa do pólo do quark top. A nova física pode mudar esse quadro.

Se as medições do bóson de Higgs sugerirem que nosso universo está dentro de um falso vácuo desse tipo, isso implicaria - mais do que provavelmente em muitos bilhões de anos - que as forças, partículas e estruturas do universo poderiam deixar de existir como as conhecemos (e ser substituído por outros diferentes), se um verdadeiro vácuo nuclear . Ela sugere também que o Higgs auto-acoplamento λ e o seu p λ função poderia ser muito próxima de zero na escala de Planck, com "intrigante" implicações, incluindo as teorias da gravidade e inflação baseada-Higgs. Um futuro colisor elétron-pósitron seria capaz de fornecer as medições precisas do quark top necessário para tais cálculos.

Energia do vácuo e a constante cosmológica

Mais especulativamente, o campo de Higgs também foi proposto como a energia do vácuo , que nas energias extremas dos primeiros momentos do Big Bang fez com que o universo fosse uma espécie de simetria indiferenciada de energia indiferenciada extremamente alta. Neste tipo de especulação, o campo único unificado de uma Grande Teoria Unificada é identificado como (ou modelado) o campo de Higgs, e é por meio de sucessivas quebras de simetria do campo de Higgs, ou algum campo semelhante, nas transições de fase que o atual surgem forças e campos conhecidos do universo.

A relação (se houver) entre o campo de Higgs e a densidade de energia do vácuo observada no universo também foi objeto de estudo científico. Como observado, a densidade de energia do vácuo atual é extremamente próxima de zero, mas a densidade de energia esperada do campo de Higgs, supersimetria e outras teorias atuais são normalmente muitas ordens de magnitude maiores. Não está claro como eles devem ser reconciliados. Este problema cosmológico constante continua sendo um grande problema sem resposta na física.

História

AIP-Sakurai-best.JPG  Higgs, Peter (1929) cropped.jpg

Os seis autores dos artigos do PRL de 1964 , que receberam o Prêmio JJ Sakurai de 2010 por seu trabalho; da esquerda para a direita: Kibble , Guralnik , Hagen , Englert , Brout ; imagem certa: Higgs .

Laureado com o Prêmio Nobel Peter Higgs em Estocolmo, dezembro de 2013

Teorização

Os físicos de partículas estudam a matéria feita de partículas fundamentais cujas interações são mediadas por partículas de troca - bósons de calibre  - agindo como portadores de força . No início da década de 1960, várias dessas partículas foram descobertas ou propostas, juntamente com teorias sugerindo como elas se relacionam, algumas das quais já haviam sido reformuladas como teorias de campo em que os objetos de estudo não são partículas e forças, mas campos quânticos e suas simetrias . No entanto, as tentativas de produzir modelos de campo quântico para duas das quatro forças fundamentais conhecidas - a força eletromagnética e a força nuclear fraca - e então unificar essas interações ainda não tiveram sucesso.

Um problema conhecido era que abordagens invariantes de calibre , incluindo modelos não abelianos , como a teoria de Yang-Mills (1954), que era uma grande promessa para teorias unificadas, também pareciam prever partículas massivas conhecidas como sem massa. O teorema de Goldstone , relacionado a simetrias contínuas dentro de algumas teorias, também parecia descartar muitas soluções óbvias, uma vez que parecia mostrar que partículas de massa zero também teriam que existir que simplesmente "não eram vistas". De acordo com Guralnik , os físicos "não entendiam" como esses problemas poderiam ser superados.

O físico de partículas e matemático Peter Woit resumiu o estado da pesquisa na época:

O trabalho de Yang e Mills na teoria de calibre não abeliana tinha um grande problema: na teoria das perturbações, ela tem partículas sem massa que não correspondem a nada que vemos. Uma maneira de se livrar desse problema agora é bastante bem compreendida, o fenômeno do confinamento realizado na QCD , onde as interações fortes eliminam os estados de "glúon" sem massa a longas distâncias. No início dos anos 60, as pessoas começaram a compreender outra fonte de partículas sem massa: a quebra espontânea de simetria de uma simetria contínua. O que Philip Anderson percebeu e funcionou no verão de 1962 foi que, quando você tem tanto simetria de calibre e quebra espontânea de simetria, o modo de Nambu-Goldstone sem massa pode combinar com os modos de campo calibre sem massa para produzir um campo vetorial massivo física. É o que acontece na supercondutividade , assunto sobre o qual Anderson foi (e é) um dos maiores especialistas. [texto condensado]

O mecanismo de Higgs é um processo pelo qual bósons vetoriais podem adquirir massa de repouso sem quebrar explicitamente a invariância de calibre , como um subproduto da quebra espontânea da simetria . Inicialmente, a teoria matemática por trás da quebra espontânea de simetria foi concebida e publicada dentro da física de partículas por Yoichiro Nambu em 1960, e o conceito de que tal mecanismo poderia oferecer uma possível solução para o "problema de massa" foi originalmente sugerido em 1962 por Philip Anderson (que já havia escrito artigos sobre simetria quebrada e seus resultados na supercondutividade. Anderson concluiu em seu artigo de 1963 sobre a teoria de Yang-Mills, que "considerando o análogo supercondutor ... esses dois tipos de bósons parecem capazes de se anularem mutuamente. ... deixando bósons de massa finita "), e em março de 1964, Abraham Klein e Benjamin Lee mostraram que o teorema de Goldstone poderia ser evitado dessa forma em pelo menos alguns casos não relativísticos, e especularam que poderia ser possível em casos verdadeiramente relativísticos.

Essas abordagens foram rapidamente desenvolvidas em um modelo relativístico completo , de forma independente e quase simultânea, por três grupos de físicos: por François Englert e Robert Brout em agosto de 1964; por Peter Higgs em outubro de 1964; e por Gerald Guralnik , Carl Hagen e Tom Kibble (GHK) em novembro de 1964. Higgs também escreveu uma resposta curta, mas importante, publicada em setembro de 1964 a uma objeção de Gilbert , que mostrou que, se calculando dentro do medidor de radiação, o teorema de Goldstone e a objeção de Gilbert se tornaria inaplicável. Higgs mais tarde descreveu a objeção de Gilbert como motivando seu próprio artigo. As propriedades do modelo foram posteriormente consideradas por Guralnik em 1965, por Higgs em 1966, por Kibble em 1967 e posteriormente por GHK em 1967. Os três artigos originais de 1964 demonstraram que quando uma teoria de calibre é combinada com um campo adicional que quebra espontaneamente o simetria, os bósons de calibre podem adquirir consistentemente uma massa finita. Em 1967, Steven Weinberg e Abdus Salam mostraram de forma independente como um mecanismo de Higgs poderia ser usada para quebrar a simetria eletrofraca de Sheldon Glashow 's modelo unificado para as interações fracas e eletromagnéticas , (ela própria uma extensão do trabalho por Schwinger ), formando o que se tornou o Modelo padrão de física de partículas. Weinberg foi o primeiro a observar que isso também forneceria termos de massa para os férmions.

No início, esses artigos seminais sobre a quebra espontânea de simetrias de calibre foram amplamente ignorados, porque se acreditava amplamente que as teorias (de calibre não Abeliana) em questão eram um beco sem saída e, em particular, que não podiam ser renormalizadas . Em 1971-72, Martinus Veltman e Gerard 't Hooft provaram que a renormalização de Yang-Mills foi possível em dois artigos cobrindo campos sem massa e, em seguida, massivos. A contribuição deles e o trabalho de outros no grupo de renormalização  - incluindo o trabalho teórico "substancial" dos físicos russos Ludvig Faddeev , Andrei Slavnov , Efim Fradkin e Igor Tyutin  - acabou sendo "enormemente profundo e influente", mas mesmo com todos os elementos-chave da eventual teoria publicada ainda quase não havia interesse mais amplo. Por exemplo, Coleman descobriu em um estudo que "essencialmente ninguém prestou atenção" ao artigo de Weinberg antes de 1971 e discutido por David Politzer em seu discurso no Nobel de 2004. - agora o mais citado na física de partículas - e mesmo em 1970 de acordo com Politzer, o ensino de Glashow sobre a interação fraca não continha nenhuma menção do trabalho de Weinberg, Salam ou do próprio Glashow. Na prática, afirma Politzer, quase todos aprenderam a teoria devido ao físico Benjamin Lee , que combinou o trabalho de Veltman e 't Hooft com insights de outros, e popularizou a teoria concluída. Desta forma, a partir de 1971, o interesse e a aceitação "explodiram" e as ideias foram rapidamente absorvidas pelo mainstream.

A teoria eletrofraca resultante e o modelo padrão previram com precisão (entre outras coisas) correntes neutras fracas , três bósons , os quarks top e charme e, com grande precisão, a massa e outras propriedades de alguns deles. Muitos dos envolvidos acabaram ganhando prêmios Nobel ou outros prêmios renomados. Um artigo de 1974 e uma revisão abrangente em Reviews of Modern Physics comentou que "embora ninguém duvidasse da correção [matemática] desses argumentos, ninguém acreditava que a natureza era diabolicamente inteligente o suficiente para tirar vantagem deles", acrescentando que a teoria tinha até agora produziu respostas precisas de acordo com o experimento, mas não se sabia se a teoria estava fundamentalmente correta. Em 1986 e novamente na década de 1990, tornou-se possível escrever que compreender e provar o setor de Higgs do Modelo Padrão era "o problema central hoje na física de partículas".

Resumo e impacto dos documentos PRL

Os três artigos escritos em 1964 foram, cada um reconhecido como papéis marcantes durante físicas Review Letters 's celebração 50º aniversário. Seus seis autores também receberam o Prêmio JJ Sakurai de Física de Partículas Teóricas 2010 por este trabalho. (Uma controvérsia também surgiu no mesmo ano, porque no caso de um Prêmio Nobel apenas até três cientistas poderiam ser reconhecidos, com seis sendo creditados pelos artigos.) Dois dos três artigos PRL (por Higgs e por GHK) continham equações para o campo hipotético que eventualmente se tornaria conhecido como campo de Higgs e seu quantum hipotético , o bóson de Higgs. O artigo subsequente de Higgs de 1966 mostrou o mecanismo de decaimento do bóson; apenas um bóson massivo pode decair e os decaimentos podem provar o mecanismo.

No artigo de Higgs, o bóson é massivo e, em uma frase de encerramento, Higgs escreve que "uma característica essencial" da teoria "é a previsão de multipletos incompletos de bósons escalares e vetoriais ". ( Frank Close comenta que os teóricos do calibre dos anos 1960 estavam focados no problema dos bósons vetoriais sem massa , e a existência implícita de um bóson escalar massivo não era vista como importante; apenas Higgs abordou isso diretamente.) No artigo de GHK, o bóson não tem massa e dissociado dos estados massivos. Em análises datadas de 2009 e 2011, Guralnik afirma que no modelo GHK o bóson não tem massa apenas em uma aproximação de ordem inferior, mas não está sujeito a qualquer restrição e adquire massa em ordens superiores, e acrescenta que o papel GHK foi o único um para mostrar que não há bósons de Goldstone sem massa no modelo e para dar uma análise completa do mecanismo geral de Higgs. Todos os três chegaram a conclusões semelhantes, apesar de suas abordagens muito diferentes: o artigo de Higgs usou essencialmente técnicas clássicas, Englert e Brout envolveram o cálculo da polarização do vácuo na teoria de perturbação em torno de um estado de vácuo de quebra de simetria assumido, e GHK usou formalismo de operador e leis de conservação para explorar aprofundar as maneiras pelas quais o teorema de Goldstone pode ser contornado. Algumas versões da teoria previam mais de um tipo de campos e bósons de Higgs, e modelos alternativos "sem Higgs" foram considerados até a descoberta do bóson de Higgs.

Pesquisa experimental

Para produzir bósons de Higgs , dois feixes de partículas são acelerados a energias muito altas e podem colidir dentro de um detector de partículas . Ocasionalmente, embora raramente, um bóson de Higgs será criado fugazmente como parte dos subprodutos da colisão. Como o bóson de Higgs decai muito rapidamente, os detectores de partículas não podem detectá-lo diretamente. Em vez disso, os detectores registram todos os produtos de decaimento (a assinatura de decaimento ) e, a partir dos dados, o processo de decaimento é reconstruído. Se os produtos de decaimento observados corresponderem a um possível processo de decaimento (conhecido como canal de decaimento ) de um bóson de Higgs, isso indica que um bóson de Higgs pode ter sido criado. Na prática, muitos processos podem produzir assinaturas de decadência semelhantes. Felizmente, o Modelo Padrão prevê com precisão a probabilidade de cada um deles, e de cada processo conhecido, ocorrer. Portanto, se o detector detectar mais assinaturas de decaimento correspondendo consistentemente a um bóson de Higgs do que seria esperado se não existissem bósons de Higgs, isso seria uma forte evidência de que o bóson de Higgs existe.

Como a produção do bóson de Higgs em uma colisão de partículas é provavelmente muito rara (1 em 10 bilhões no LHC), e muitos outros eventos de colisão possíveis podem ter assinaturas de decaimento semelhantes, os dados de centenas de trilhões de colisões precisam ser analisados ​​e devem "mostre a mesma imagem" antes que uma conclusão sobre a existência do bóson de Higgs possa ser alcançada. Para concluir que uma nova partícula foi encontrada, os físicos de partículas exigem que a análise estatística de dois detectores de partículas independentes indique, cada um, que há menos de uma chance em um milhão de que as assinaturas de decaimento observadas sejam devidas apenas ao padrão aleatório de fundo Eventos do modelo - isto é, o número de eventos observados é mais do que cinco desvios padrão (sigma) diferentes do esperado se não houvesse uma nova partícula. Mais dados de colisão permitem uma melhor confirmação das propriedades físicas de qualquer nova partícula observada e permite que os físicos decidam se é de fato um bóson de Higgs conforme descrito pelo Modelo Padrão ou alguma outra partícula nova hipotética.

Para encontrar o bóson de Higgs, um poderoso acelerador de partículas foi necessário, porque os bósons de Higgs podem não ser vistos em experimentos de baixa energia. O colisor precisava ter uma alta luminosidade para garantir que colisões suficientes fossem vistas para que as conclusões fossem tiradas. Finalmente, recursos de computação avançados eram necessários para processar a grande quantidade de dados (25 petabytes por ano em 2012) produzidos pelas colisões. Para o anúncio de 4 de julho de 2012, um novo colisor conhecido como Large Hadron Collider foi construído no CERN com uma energia de colisão eventual planejada de 14 TeV  - mais de sete vezes qualquer colisor anterior - e mais de 300 trilhões (3 × 10 14 ) de prótons do LHC - as colisões de prótons foram analisadas pelo LHC Computing Grid , a maior grade de computação do mundo (em 2012), compreendendo mais de 170 instalações de computação em uma rede mundial em 36 países.

Pesquisa antes de 4 de julho de 2012

A primeira busca extensa pelo bóson de Higgs foi conduzida no Large Electron-Positron Collider (LEP) no CERN na década de 1990. No final de seu serviço em 2000, a LEP não havia encontrado nenhuma evidência conclusiva para o Higgs. Isso implicava que se o bóson de Higgs existisse, ele teria que ser mais pesado do que114,4 GeV / c 2 .

A busca continuou no Fermilab, nos Estados Unidos, onde o Tevatron  - o colisor que descobriu o quark top em 1995 - foi atualizado para esse fim. Não havia garantia de que o Tevatron seria capaz de encontrar o Higgs, mas era o único supercolider que estava operacional desde que o Grande Colisor de Hádrons (LHC) ainda estava em construção e o Supercondutor Supercondutor planejado havia sido cancelado em 1993 e nunca concluído . O Tevatron só foi capaz de excluir faixas adicionais para a massa de Higgs e foi desligado em 30 de setembro de 2011 porque não conseguia mais acompanhar o LHC. A análise final dos dados excluiu a possibilidade de um bóson de Higgs com uma massa entre147 GeV / c 2 e180 GeV / c 2 . Além disso, houve um pequeno (mas não significativo) excesso de eventos, possivelmente indicando um bóson de Higgs com uma massa entre115 GeV / c 2 e140 GeV / c 2 .

O Grande Colisor de Hádrons no CERN na Suíça foi projetado especificamente para ser capaz de confirmar ou excluir a existência do bóson de Higgs. Construído em um túnel de 27 km sob o solo perto de Genebra, originalmente habitado pela LEP, foi projetado para colidir dois feixes de prótons, inicialmente com energias de3,5 TeV por feixe (7 TeV no total), ou quase 3,6 vezes o do Tevatron, e atualizável para 2 × 7 TeV (14 TeV no total) no futuro. A teoria sugeria que, se o bóson de Higgs existisse, as colisões nesses níveis de energia seriam capazes de revelá-lo. Como um dos instrumentos científicos mais complicados já construídos, sua prontidão operacional foi atrasada por 14 meses por um evento de têmpera de ímã nove dias após seus testes inaugurais, causado por uma conexão elétrica defeituosa que danificou mais de 50 ímãs supercondutores e contaminou o sistema de vácuo.

A coleta de dados no LHC finalmente começou em março de 2010. Em dezembro de 2011, os dois principais detectores de partículas no LHC, ATLAS e CMS , reduziram a faixa de massa onde o Higgs poderia existir para cerca de 116-130 GeV (ATLAS) e 115- 127 GeV (CMS). Também já havia ocorrido uma série de excessos de eventos promissores que "evaporaram" e se mostraram nada além de flutuações aleatórias. No entanto, por volta de maio de 2011, ambos os experimentos tinham visto entre seus resultados, o surgimento lento de um pequeno, mas consistente excesso de assinaturas de decaimento gama e 4-leptão e vários outros decaimentos de partículas, todos sugerindo uma nova partícula em uma massa ao redor125 GeV . Por volta de novembro de 2011, os dados anômalos de 125 GeV estavam se tornando "grandes demais para serem ignorados" (embora ainda longe de ser conclusivos), e os líderes de equipe do ATLAS e do CMS suspeitaram que eles poderiam ter encontrado o Higgs. Em 28 de novembro de 2011, em uma reunião interna dos dois líderes de equipe e do diretor geral do CERN, as análises mais recentes foram discutidas fora de suas equipes pela primeira vez, sugerindo que ATLAS e CMS podem estar convergindo em um possível resultado compartilhado a 125 GeV , e os preparativos iniciais começaram no caso de uma descoberta bem-sucedida. Embora esta informação não fosse conhecida publicamente na época, o estreitamento da faixa de Higgs possível para cerca de 115-130 GeV e a observação repetida de excessos de eventos pequenos, mas consistentes em vários canais em ATLAS e CMS na região de 124-126 GeV ( descritas como "dicas tentadoras" de cerca de 2-3 sigma) eram de conhecimento público com "muito interesse". Portanto, foi amplamente antecipado por volta do final de 2011, que o LHC forneceria dados suficientes para excluir ou confirmar a descoberta de um bóson de Higgs até o final de 2012, quando seus dados de colisão de 2012 (com energia de colisão de 8 TeV ligeiramente superior) tiveram foi examinado.

Descoberta do bóson candidato no CERN

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Diagramas de Feynman mostrando os canais mais limpos associados ao candidato a bóson de Higgs de baixa massa (~ 125 GeV) observado por ATLAS e CMS no LHC . O mecanismo de produção dominante nesta massa envolve dois glúons de cada próton se fundindo a um Top-quark Loop , que se acopla fortemente ao campo de Higgs para produzir um bóson de Higgs.A análise experimental desses canais atingiu uma significância de mais de cinco desvios padrão (sigma) em ambos os experimentos.

Em 22 de junho de 2012, o CERN anunciou um próximo seminário cobrindo as descobertas provisórias para 2012, e logo depois (por volta de 1 de julho de 2012, de acordo com uma análise do boato que se espalhava nas mídias sociais ) rumores começaram a se espalhar na mídia de que isso incluiria um grande anúncio , mas não estava claro se este seria um sinal mais forte ou uma descoberta formal. A especulação atingiu um nível "febril" quando surgiram relatos de que Peter Higgs , que propôs a partícula, compareceria ao seminário e que "cinco físicos importantes" haviam sido convidados - geralmente considerados os cinco autores vivos de 1964 - com Higgs , Englert, Guralnik, Hagen comparecendo e Kibble confirmando seu convite (Brout faleceu em 2011).

Em 4 de julho de 2012, os dois experimentos do CERN anunciaram que haviam feito independentemente a mesma descoberta: CMS de um bóson até então desconhecido com massa 125,3 ± 0,6 GeV / c 2 e ATLAS de um bóson com massa 126,0 ± 0,6 GeV / c 2 . Usando a análise combinada de dois tipos de interação (conhecidos como 'canais'), ambos os experimentos alcançaram independentemente uma significância local de 5 sigma - implicando que a probabilidade de obter um resultado pelo menos tão forte por acaso sozinho é inferior a um em três milhões. Quando canais adicionais foram levados em consideração, a significância do CMS foi reduzida para 4,9 sigma.

As duas equipes trabalharam "às cegas" uma da outra por volta do final de 2011 ou início de 2012, o que significa que não discutiram seus resultados entre si, proporcionando certeza adicional de que qualquer descoberta comum era a validação genuína de uma partícula. Este nível de evidência, confirmado independentemente por duas equipes e experimentos separados, atende ao nível formal de prova exigido para anunciar uma descoberta confirmada.

Em 31 de julho de 2012, a colaboração ATLAS apresentou análise de dados adicionais sobre a "observação de uma nova partícula", incluindo dados de um terceiro canal, que melhorou a significância para 5,9 sigma (1 em 588 milhões de chance de obter pelo menos uma evidência tão forte por efeitos de fundo aleatórios sozinhos) e massa 126,0 ± 0,4 (stat) ± 0,4 (sys) GeV / c 2 , e CMS melhorou a significância para 5-sigma e massa 125,3 ± 0,4 (stat) ± 0,5 (sys) GeV / c 2 .

A nova partícula testada como um possível bóson de Higgs

Após a descoberta de 2012, ainda não estava confirmado se a partícula 125 GeV / c 2 era um bóson de Higgs. Por um lado, as observações permaneceram consistentes com a partícula observada sendo o bóson de Higgs do Modelo Padrão, e a partícula decaiu em pelo menos alguns dos canais previstos. Além disso, as taxas de produção e taxas de ramificação para os canais observados corresponderam amplamente às previsões do Modelo Padrão dentro das incertezas experimentais. No entanto, as incertezas experimentais atualmente ainda deixam espaço para explicações alternativas, o que significa que o anúncio da descoberta de um bóson de Higgs teria sido prematuro. Para permitir mais oportunidades de coleta de dados, o desligamento proposto do LHC para 2012 e a atualização para 2013–14 foram adiados por sete semanas em 2013.

Em novembro de 2012, em uma conferência em Kyoto, pesquisadores disseram que as evidências coletadas desde julho estavam se alinhando com o Modelo Padrão básico mais do que com suas alternativas, com uma gama de resultados para várias interações que correspondem às previsões daquela teoria. O físico Matt Strassler destacou evidências "consideráveis" de que a nova partícula não é uma partícula pseudoescalar de paridade negativa (consistente com esta descoberta necessária para um bóson de Higgs), "evaporação" ou falta de significância aumentada para dicas anteriores de descobertas do modelo não padrão, esperado Interações do modelo padrão com os bósons W e Z , ausência de "novas implicações significativas" a favor ou contra a supersimetria e, em geral, nenhum desvio significativo até o momento dos resultados esperados de um bóson de Higgs do modelo padrão. No entanto, alguns tipos de extensões do Modelo Padrão também mostram resultados muito semelhantes; portanto, os comentaristas notaram que, com base em outras partículas que ainda estão sendo compreendidas muito depois de sua descoberta, pode levar anos para ter certeza e décadas para compreender completamente a partícula que foi encontrada.

Essas descobertas significaram que, a partir de janeiro de 2013, os cientistas estavam muito certos de que haviam encontrado uma partícula de massa desconhecida ~ 125 GeV / c 2 , e não foram enganados por erro experimental ou um resultado casual. Eles também tinham certeza, a partir de observações iniciais, de que a nova partícula era algum tipo de bóson. Os comportamentos e propriedades da partícula, até agora examinados desde julho de 2012, também pareciam bastante próximos dos comportamentos esperados de um bóson de Higgs. Mesmo assim, ainda poderia ter sido um bóson de Higgs ou algum outro bóson desconhecido, já que testes futuros poderiam mostrar comportamentos que não correspondem a um bóson de Higgs, então em dezembro de 2012 o CERN ainda apenas afirmava que a nova partícula era "consistente" com o Bóson de Higgs, e os cientistas ainda não disseram positivamente que era o bóson de Higgs. Apesar disso, no final de 2012, relatos generalizados da mídia anunciaram (incorretamente) que um bóson de Higgs havia sido confirmado durante o ano.

Em janeiro de 2013, o diretor-geral do CERN Rolf-Dieter Heuer afirmou que, com base na análise de dados até o momento, uma resposta poderia ser possível 'em meados de 2013', e o vice-presidente de física do Laboratório Nacional de Brookhaven declarou em fevereiro de 2013 que um " A "resposta definitiva pode exigir" mais alguns anos "após a reinicialização do colisor em 2015 . No início de março de 2013, o Diretor de Pesquisa do CERN Sergio Bertolucci afirmou que a confirmação do spin-0 era o principal requisito restante para determinar se a partícula é pelo menos algum tipo de bóson de Higgs.

Confirmação de existência e estado atual

Em 14 de março de 2013, o CERN confirmou o seguinte:

CMS e ATLAS compararam uma série de opções para a paridade de spin desta partícula, e todas elas preferem nenhum spin e paridade uniforme [dois critérios fundamentais de um bóson de Higgs consistente com o modelo padrão]. Isso, juntamente com as interações medidas da nova partícula com outras partículas, indica fortemente que se trata de um bóson de Higgs.

Isso também torna a partícula a primeira partícula escalar elementar a ser descoberta na natureza.

A seguir estão exemplos de testes usados ​​para confirmar que a partícula descoberta é o bóson de Higgs:

Requerimento Como testado / explicação Status atual (em julho de 2017)
Rotação zero Examinando padrões de decadência. O spin-1 foi descartado no momento da descoberta inicial pelo decaimento observado para dois fótons (γ γ), deixando o spin-0 e o spin-2 como candidatos restantes. Spin-0 confirmado. A hipótese de spin-2 é excluída com um nível de confiança superior a 99,9%.
Paridade uniforme (positiva) Estudar os ângulos em que os produtos da decomposição se separam. A paridade negativa também era desfavorecida se o spin-0 fosse confirmado. Até a paridade foi provisoriamente confirmada. A hipótese de paridade negativa spin-0 é excluída com um nível de confiança superior a 99,9%.
Canais de decaimento (resultados do decaimento de partículas) são os previstos O modelo padrão prevê os padrões de decaimento de um bóson de 125 GeV Higgs. Tudo isso está sendo visto, e nas taxas certas?

Particularmente significativo, devemos observar decaimentos em pares de fótons (γ γ), bósons W e Z (WW e ZZ), quarks bottom (bb) e leptons tau (τ τ) , entre os resultados possíveis.

bb, γ γ, τ τ, WW e ZZ observados. Todas as intensidades de sinal observadas são consistentes com a previsão do modelo padrão.
Acoplamentos à massa (ou seja, força de interação com partículas do Modelo Padrão proporcional à sua massa) O físico de partículas Adam Falkowski afirma que as qualidades essenciais de um bóson de Higgs são que ele é uma partícula de spin 0 (escalar) que também se acopla à massa (bósons W e Z); provar spin-0 sozinho é insuficiente. Acoplamentos à massa fortemente evidenciados ("No nível de confiança de 95% c V está dentro de 15% do valor do modelo padrão c V = 1").
Resultados de alta energia permanecem consistentes Após o reinício do LHC em 2015 na energia mais alta de 13 TeV , as pesquisas por múltiplas partículas de Higgs (conforme previsto em algumas teorias) e os testes visando outras versões da teoria das partículas continuaram. Esses resultados de energia mais alta devem continuar a dar resultados consistentes com as teorias de Higgs. Análises de colisões até julho de 2017 não mostram desvios do Modelo Padrão, com precisões experimentais melhores do que resultados com energias mais baixas.

Resultados desde 2013

Em julho de 2017, o CERN confirmou que todas as medições ainda concordam com as previsões do Modelo Padrão e chamou a partícula descoberta simplesmente de "o bóson de Higgs". A partir de 2019, o Grande Colisor de Hádrons continuou a produzir descobertas que confirmam a compreensão de 2013 do campo e da partícula de Higgs.

O trabalho experimental do LHC desde o reinício em 2015 incluiu sondar o campo de Higgs e o bóson em um maior nível de detalhe e confirmar se as previsões menos comuns estavam corretas. Em particular, a exploração desde 2015 forneceu fortes evidências da decadência direta prevista em férmions , como pares de quarks de fundo (3,6 σ) - descritos como um "marco importante" na compreensão de sua curta vida útil e outras decadências raras - e também para confirmar a decadência em pares de leptões tau (5,9 σ). Isso foi descrito pelo CERN como sendo "de suma importância para estabelecer o acoplamento do bóson de Higgs aos léptons e representa um passo importante para medir seus acoplamentos aos férmions de terceira geração, as cópias muito pesadas dos elétrons e quarks, cujo papel na natureza é um mistério profundo ”. Resultados publicados em 19 de março de 2018 a 13 TeV para ATLAS e CMS tiveram suas medições da massa de Higgs em124,98 ± 0,28 GeV e125,26 ± 0,21 GeV respectivamente.

Em julho de 2018, os experimentos ATLAS e CMS relataram a observação do decaimento do bóson de Higgs em um par de quarks bottom, que compõe aproximadamente 60% de todos os seus decaimentos.

Questões teóricas

Necessidade teórica para o Higgs

" Quebra de simetria ilustrada": - Em altos níveis de energia (esquerda) a bola se acomoda no centro e o resultado é simétrico. Em níveis de energia mais baixos (à direita) , as "regras" gerais permanecem simétricas, mas o potencial do "chapéu mexicano" entra em vigor: a simetria "local" inevitavelmente se quebra, pois, eventualmente, a bola deve rolar aleatoriamente para um lado ou outro.

A invariância de calibre é uma propriedade importante das teorias de partículas modernas, como o Modelo Padrão , em parte devido ao seu sucesso em outras áreas da física fundamental como o eletromagnetismo e a interação forte ( cromodinâmica quântica ). No entanto, antes de Sheldon L. Glashow estender os modelos de unificação eletrofraca em 1961, havia grandes dificuldades no desenvolvimento de teorias de calibre para a força nuclear fraca ou uma possível interação eletrofraca unificada . Férmions com um termo de massa violariam a simetria de calibre e, portanto, não podem ser invariante de calibre. (Isso pode ser visto examinando o Lagrangiano de Dirac para um férmion em termos de componentes canhotos e destros; descobrimos que nenhuma das partículas de metade de spin poderia girar a helicidade conforme necessário para a massa, portanto, devem ser sem massa.) W e Z observa-se que os bósons têm massa, mas um termo de massa do bóson contém termos que dependem claramente da escolha do calibre e, portanto, essas massas também não podem ser invariantes no calibre. Portanto, parece que nenhum dos férmions ou bósons do modelo padrão poderia "começar" com a massa como uma propriedade embutida, exceto pelo abandono da invariância de calibre. Se a invariância de calibre fosse mantida, então essas partículas deveriam estar adquirindo sua massa por algum outro mecanismo ou interação. Além disso, o que quer que estivesse dando a essas partículas sua massa tinha que não "quebrar" a invariância de calibre como base para outras partes das teorias onde funcionava bem, e não tinha que exigir ou prever partículas inesperadas sem massa ou forças de longo alcance (aparentemente um inevitável conseqüência do teorema de Goldstone ) que não parecia realmente existir na natureza.

Uma solução para todos esses problemas sobrepostos veio da descoberta de um caso limítrofe anteriormente despercebido escondido na matemática do teorema de Goldstone, que sob certas condições pode teoricamente ser possível para uma simetria ser quebrada sem interromper a invariância de calibre e sem qualquer novo sem massa partículas ou forças, e tendo resultados "sensíveis" ( renormalizáveis ) matematicamente. Isso ficou conhecido como mecanismo de Higgs .

Resumo das interações entre certas partículas descritas pelo Modelo Padrão .

O Modelo Padrão apresenta a hipótese de um campo responsável por esse efeito, denominado campo de Higgs (símbolo:) , que possui a propriedade incomum de uma amplitude diferente de zero em seu estado fundamental ; ou seja, um valor de expectativa de vácuo diferente de zero . Ele pode ter esse efeito por causa de seu potencial incomum em forma de "chapéu mexicano", cujo "ponto" mais baixo não está em seu "centro". Em termos simples, ao contrário de todos os outros campos conhecidos, o campo de Higgs requer menos energia para ter um valor diferente de zero do que um valor zero, então ele acaba tendo um valor diferente de zero em todos os lugares . Abaixo de um certo nível de energia extremamente alto, a existência dessa expectativa de vácuo diferente de zero quebra espontaneamente a simetria do medidor eletrofraco que, por sua vez, dá origem ao mecanismo de Higgs e dispara a aquisição de massa por aquelas partículas que interagem com o campo. Esse efeito ocorre porque os componentes do campo escalar do campo de Higgs são "absorvidos" pelos bósons massivos como graus de liberdade e se acoplam aos férmions via acoplamento de Yukawa , produzindo assim os termos de massa esperados. Quando a simetria é quebrada nessas condições, os bósons de Goldstone que surgem interagem com o campo de Higgs (e com outras partículas capazes de interagir com o campo de Higgs) em vez de se tornarem novas partículas sem massa. Os problemas intratáveis ​​de ambas as teorias subjacentes "neutralizam" uma a outra, e o resultado residual é que as partículas elementares adquirem uma massa consistente com base na intensidade com que interagem com o campo de Higgs. É o processo mais simples conhecido, capaz de dar massa aos bósons de calibre enquanto permanece compatível com as teorias de calibre . Seu quantum seria um bóson escalar , conhecido como bóson de Higgs.

Modelos alternativos

O Modelo Padrão Mínimo, conforme descrito acima, é o modelo mais simples conhecido para o mecanismo de Higgs com apenas um campo de Higgs. No entanto, um setor de Higgs estendido com dupletos ou tripletos de partículas de Higgs adicionais também é possível, e muitas extensões do Modelo Padrão têm esse recurso. O setor de Higgs não mínimo favorecido pela teoria são os dois modelos de dupleto de Higgs (2HDM), que prevêem a existência de um quinteto de partículas escalares: dois bósons de Higgs neutros CP-pares h 0 e H 0 , um neutro CP-ímpar Bóson de Higgs A 0 e duas partículas de Higgs carregadas H ± . A supersimetria ("SUSY") também prevê relações entre as massas do bóson de Higgs e as massas dos bósons de calibre, e pode acomodar umBóson de Higgs neutro 125 GeV / c 2 .

O método chave para distinguir entre esses diferentes modelos envolve o estudo das interações das partículas ("acoplamento") e processos exatos de decaimento ("razões de ramificação"), que podem ser medidos e testados experimentalmente em colisões de partículas. No modelo 2HDM Tipo I, um dupleto de Higgs acopla com quarks up e down, enquanto o segundo dupleto não acopla com quarks. Este modelo tem dois limites interessantes, nos quais o Higgs mais leve acopla-se apenas a férmions ("gauge- phobic ") ou apenas gauge bosons ("fermiophobic"), mas não ambos. No modelo 2HDM Tipo II, um dupleto de Higgs acopla apenas a quarks do tipo up, o outro acopla apenas aos quarks do tipo down. O modelo padrão supersimétrico mínimo pesquisado (MSSM) inclui um setor de Higgs 2HDM do tipo II, portanto, pode ser refutado por evidências de um Higgs 2HDM do tipo I.

Em outros modelos, o escalar de Higgs é uma partícula composta. Por exemplo, em technicolor, o papel do campo de Higgs é desempenhado por pares de férmions fortemente ligados, chamados de techniquarks . Outros modelos apresentam pares de quarks top (veja condensado de quark top ). Ainda em outros modelos, não há campo de Higgs e a simetria eletrofraca é quebrada usando dimensões extras.

Outras questões teóricas e problema de hierarquia

Um diagrama de Feynman de uma volta da correção de primeira ordem para a massa de Higgs. No Modelo Padrão os efeitos dessas correções são potencialmente enormes, dando origem ao chamado problema de hierarquia .

O modelo padrão deixa a massa do bóson de Higgs como um parâmetro a ser medido, em vez de um valor a ser calculado. Isso é visto como teoricamente insatisfatório, particularmente porque as correções quânticas (relacionadas a interações com partículas virtuais ) devem aparentemente fazer com que a partícula de Higgs tenha uma massa imensamente maior do que a observada, mas ao mesmo tempo o modelo padrão requer uma massa da ordem de 100 a 1000 GeV para garantir a unitariedade (neste caso, para unitarizar o espalhamento do bóson vetorial longitudinal). A reconciliação desses pontos parece exigir a explicação de por que há um cancelamento quase perfeito resultando na massa visível de ~ 125 GeV, e não está claro como fazer isso. Porque a força fraca é cerca de 10 32 vezes mais forte do que a gravidade, e (ligado a isso) a massa do bóson de Higgs é muito menor do que a massa de Planck ou a energia da grande unificação , parece que existe alguma conexão subjacente ou razão para isso observações que são desconhecidas e não descritas pelo Modelo Padrão, ou algum ajuste fino inexplicado e extremamente preciso de parâmetros - entretanto, no momento, nenhuma dessas explicações está comprovada. Isso é conhecido como um problema de hierarquia . De forma mais ampla, o problema da hierarquia equivale à preocupação de que uma futura teoria de partículas e interações fundamentais não tenha ajustes finos excessivos ou cancelamentos indevidamente delicados e deve permitir que massas de partículas como o bóson de Higgs sejam calculáveis. O problema é, de certa forma, exclusivo das partículas de spin 0 (como o bóson de Higgs), o que pode dar origem a problemas relacionados a correções quânticas que não afetam as partículas com spin. Uma série de soluções foram propostas , incluindo supersimetria , soluções conformes e soluções via dimensões extras, como modelos de mundo- brana .

Existem também questões de trivialidade quântica , o que sugere que pode não ser possível criar uma teoria quântica de campos consistente envolvendo partículas escalares elementares. No entanto, se a trivialidade quântica for evitada, as restrições de trivialidade podem definir limites na massa do bóson de Higgs.

Propriedades

Propriedades do campo de Higgs

No modelo padrão, o campo de Higgs é um campo taquiônico escalar - escalar significa que não se transforma sob as transformações de Lorentz e taquiônico significa que o campo (mas não a partícula) tem massa imaginária e, em certas configurações, deve sofrer quebra de simetria . Consiste em quatro componentes: dois neutros e dois campos de componentes carregados . Ambos os componentes carregados e um dos campos neutros são bosões Goldstone , que funcionam como componentes de polarização terço longitudinais do maciço W + , W - , e Z bosões . O quantum do componente neutro restante corresponde a (e é teoricamente realizado como) o bóson de Higgs massivo. Este componente pode interagir com férmions via acoplamento Yukawa para dar-lhes massa também.

Matematicamente, o campo de Higgs tem massa imaginária e, portanto, é um campo taquiônico . Embora os táquions ( partículas que se movem mais rápido que a luz ) sejam um conceito puramente hipotético, os campos com massa imaginária passaram a desempenhar um papel importante na física moderna. Sob nenhuma circunstância as excitações se propagam mais rápido do que a luz em tais teorias - a presença ou ausência de uma massa taquiônica não tem nenhum efeito sobre a velocidade máxima dos sinais (não há violação de causalidade ). Em vez de partículas mais rápidas do que a luz, a massa imaginária cria uma instabilidade: qualquer configuração na qual uma ou mais excitações de campo são taquiônicas deve decair espontaneamente, e a configuração resultante não contém táquions físicos. Esse processo é conhecido como condensação de táquions e agora acredita-se que seja a explicação de como o próprio mecanismo de Higgs surge na natureza e, portanto, a razão por trás da quebra da simetria eletrofraca.

Embora a noção de massa imaginária possa parecer preocupante, é apenas o campo, e não a massa em si, que é quantizado. Portanto, os operadores de campo em pontos separados como espaciais ainda comutam (ou anticomutação) , e as informações e as partículas ainda não se propagam mais rápido que a luz. A condensação de táquions conduz um sistema físico que atingiu um limite local - e pode-se ingenuamente esperar que produza táquions físicos - a um estado estável alternativo onde não existem táquions físicos. Quando um campo taquiônico como o campo de Higgs atinge o mínimo do potencial, seus quanta não são mais taquions, mas partículas comuns, como o bóson de Higgs.

Propriedades do bóson de Higgs

Como o campo de Higgs é escalar , o bóson de Higgs não tem spin . O bóson de Higgs também é sua própria antipartícula , é CP-uniforme e tem carga elétrica e de cor zero .

O modelo padrão não prevê a massa do bóson de Higgs. Se essa massa estiver entre 115 e180 GeV / c 2 (consistente com observações empíricas de125 GeV / c 2 ), então o Modelo Padrão pode ser válido em escalas de energia até a escala de Planck (10 19 GeV). Muitos teóricos esperam que uma nova física além do modelo padrão surja na escala TeV, com base nas propriedades insatisfatórias do modelo padrão. A maior escala de massa possível permitida para o bóson de Higgs (ou algum outro mecanismo de quebra de simetria eletrofraca) é 1,4 TeV; além desse ponto, o modelo padrão torna-se inconsistente sem tal mecanismo, porque a unitariedade é violada em certos processos de espalhamento.

Também é possível, embora experimentalmente difícil, estimar a massa do bóson de Higgs indiretamente. No modelo padrão, o bóson de Higgs tem vários efeitos indiretos; mais notavelmente, os loops de Higgs resultam em pequenas correções nas massas dos bósons W e Z. As medições de precisão dos parâmetros eletrofracos, como a constante de Fermi e as massas dos bósons W e Z, podem ser usadas para calcular as restrições na massa do Higgs. Em julho de 2011, as medições eletrofracas de precisão nos dizem que a massa do bóson de Higgs provavelmente será menor do que cerca de161 GeV / c 2 com nível de confiança de 95% . Essas restrições indiretas baseiam-se na suposição de que o Modelo Padrão está correto. Ainda pode ser possível descobrir um bóson de Higgs acima dessas massas, se ele estiver acompanhado por outras partículas além daquelas acomodadas pelo Modelo Padrão.

Produção

Diagramas de Feynman para produção de Higgs
Fusão gluon
Fusão gluon
Higgs Strahlung
Higgs Strahlung
Fusão de bóson vetorial
Fusão de bóson vetorial
Fusão de topo
Fusão de topo

Se as teorias das partículas de Higgs forem válidas, então uma partícula de Higgs pode ser produzida de forma muito semelhante às outras partículas que são estudadas, em um colisor de partículas . Isso envolve acelerar um grande número de partículas a energias extremamente altas e extremamente próximas à velocidade da luz , permitindo que elas se colidam. Prótons e íons de chumbo (os núcleos nus dos átomos de chumbo ) são usados ​​no LHC. Nas energias extremas dessas colisões, as partículas esotéricas desejadas serão ocasionalmente produzidas e isso pode ser detectado e estudado; qualquer ausência ou diferença das expectativas teóricas também pode ser usada para melhorar a teoria. A teoria das partículas relevantes (neste caso, o Modelo Padrão) determinará os tipos de colisões e detectores necessários. O Modelo Padrão prevê que bósons de Higgs podem ser formados de várias maneiras, embora a probabilidade de produzir um bóson de Higgs em qualquer colisão seja sempre muito pequena - por exemplo, apenas um bóson de Higgs por 10 bilhões de colisões no Grande Hadron Collider. Os processos mais comuns esperados para a produção do bóson de Higgs são:

Fusão gluon
Se as partículas colididas forem hádrons , como o próton ou o antipróton  - como é o caso no LHC e no Tevatron - então é mais provável que dois dos glúons que ligam o hádron colidam. A maneira mais fácil de produzir uma partícula de Higgs é se os dois glúons se combinam para formar um loop de quarks virtuais . Como o acoplamento das partículas ao bóson de Higgs é proporcional à sua massa, esse processo é mais provável para partículas pesadas. Na prática, é suficiente considerar as contribuições dos quarks virtuais top e bottom (os quarks mais pesados). Este processo é a contribuição dominante no LHC e Tevatron sendo cerca de dez vezes mais provável do que qualquer um dos outros processos.
Higgs Strahlung
Se um férmion elementar colide com um anti-férmion - por exemplo, um quark com um anti-quark ou um elétron com um pósitron  - os dois podem se fundir para formar um bóson W ou Z virtual que, se transportar energia suficiente, pode então emitir um bóson de Higgs. Este processo foi o modo de produção dominante no LEP, onde um elétron e um pósitron colidiram para formar um bóson Z virtual, e foi a segunda maior contribuição para a produção de Higgs no Tevatron. No LHC, esse processo é apenas o terceiro maior, porque o LHC colide prótons com prótons, tornando uma colisão quark-antiquark menos provável do que no Tevatron. Higgs Strahlung também é conhecido como produção associada .
Fusão de bóson fraca
Outra possibilidade quando dois (anti) férmions colidem é que os dois trocam um bóson W ou Z virtual, que emite um bóson de Higgs. Os férmions em colisão não precisam ser do mesmo tipo. Assim, por exemplo, um quark up pode trocar um bóson Z por um quark anti-down. Este processo é o segundo mais importante para a produção da partícula de Higgs no LHC e LEP.
Fusão de topo
O processo final comumente considerado é de longe o menos provável (por duas ordens de magnitude). Este processo envolve dois glúons em colisão, cada um decaindo em um pesado par quark-antiquark. Um quark e um antiquark de cada par podem então se combinar para formar uma partícula de Higgs.

Decair

A previsão do modelo padrão para a largura de decaimento da partícula de Higgs depende do valor de sua massa.

A mecânica quântica prevê que, se for possível que uma partícula decair em um conjunto de partículas mais leves, ela acabará por decair. Isso também é válido para o bóson de Higgs. A probabilidade de isso acontecer depende de uma variedade de fatores, incluindo: a diferença de massa, a força das interações, etc. A maioria desses fatores é fixada pelo Modelo Padrão, exceto para a massa do próprio bóson de Higgs. Para um bóson de Higgs com uma massa de125 GeV / c 2, o SM prevê um tempo médio de vida de cerca de1,6 × 10 −22  s .

A previsão do Modelo Padrão para as razões de ramificação dos diferentes modos de decaimento da partícula de Higgs depende do valor de sua massa.

Como ele interage com todas as partículas elementares massivas do SM, o bóson de Higgs tem muitos processos diferentes pelos quais pode decair. Cada um desses processos possíveis tem sua própria probabilidade, expressa como a razão de ramificação ; a fração do número total decai que segue esse processo. O SM prevê essas relações de ramificação em função da massa de Higgs (veja o gráfico).

Uma maneira pela qual o Higgs pode decair é dividindo-se em um par férmion-antifermion. Como regra geral, o Higgs tem mais probabilidade de se decompor em férmions pesados ​​do que em férmions leves, porque a massa de um férmion é proporcional à força de sua interação com o Higgs. Por essa lógica, o decaimento mais comum deve ser em um par de quark top –antitop. No entanto, tal decadência só seria possível se o Higgs fosse mais pesado do que ~346 GeV / c 2 , duas vezes a massa do quark top. Para uma massa de Higgs de125 GeV / c 2 o SM prediz que o decaimento mais comum é em um par de quark antiboto inferior , o que acontece 57,7% do tempo. O segundo decaimento de férmions mais comum nessa massa é um par tau –antitau, que ocorre apenas cerca de 6,3% das vezes.

Outra possibilidade é o Higgs se dividir em um par de bósons de calibre massivos. A possibilidade mais provável é que o Higgs decaia em um par de bósons W (a linha azul clara no gráfico), o que acontece cerca de 21,5% do tempo para um bóson de Higgs com massa de125 GeV / c 2 . Os bósons W podem subsequentemente decair em um quark e um antiquark ou em um leptão carregado e um neutrino. Os decaimentos dos bósons W em quarks são difíceis de distinguir do fundo, e os decaimentos em léptons não podem ser totalmente reconstruídos (porque os neutrinos são impossíveis de detectar em experimentos de colisão de partículas). Um sinal mais limpo é dado por decaimento em um par de bósons Z (o que acontece cerca de 2,6% das vezes para um Higgs com massa de125 GeV / c 2 ), se cada um dos bósons subsequentemente decair em um par de léptons carregados de fácil detecção ( elétrons ou múons ).

O decaimento em bósons de calibre sem massa (ou seja, glúons ou fótons ) também é possível, mas requer um loop intermediário de quarks pesados ​​virtuais (superior ou inferior) ou bósons de calibre massivos. O processo mais comum é o decaimento em um par de glúons por meio de um loop de quarks pesados ​​virtuais. Este processo, que é o reverso do processo de fusão do glúon mencionado acima, ocorre aproximadamente 8,6% das vezes para um bóson de Higgs com massa de125 GeV / c 2 . Muito mais raro é o decaimento em um par de fótons mediado por um loop de bósons W ou quarks pesados, que ocorre apenas duas vezes para cada mil decaimentos. No entanto, esse processo é muito relevante para pesquisas experimentais do bóson de Higgs, porque a energia e o momento dos fótons podem ser medidos com muita precisão, dando uma reconstrução precisa da massa da partícula em decomposição.

Discussão pública

Nomeação

Nomes usados ​​por físicos

O nome mais fortemente associado à partícula e ao campo é o bóson de Higgs e o campo de Higgs. Por algum tempo, a partícula era conhecida por uma combinação de seus nomes de autor PRL (incluindo, às vezes, Anderson), por exemplo, a partícula Brout – Englert – Higgs, a partícula Anderson-Higgs ou a partícula Englert – Brout – Higgs – Guralnik – Hagen– Mecanismo de croquetes, e ainda são usados ​​às vezes. Alimentado em parte pela questão do reconhecimento e um potencial Prêmio Nobel compartilhado, o nome mais apropriado ainda era ocasionalmente um tópico de debate até 2013. O próprio Higgs prefere chamar a partícula por um acrônimo de todos os envolvidos, ou "o bóson escalar ", ou" a chamada partícula de Higgs ".

Uma quantidade considerável foi escrita sobre como o nome de Higgs passou a ser usado exclusivamente. Duas explicações principais são oferecidas. A primeira é que Higgs deu um passo que era único, mais claro ou mais explícito em seu artigo ao prever e examinar formalmente a partícula. Dos autores dos artigos da PRL, apenas o artigo de Higgs ofereceu explicitamente como uma previsão de que uma partícula massiva existiria e calculou algumas de suas propriedades; ele foi, portanto, "o primeiro a postular a existência de uma partícula massiva" de acordo com a Natureza . O físico e autor Frank Close e o físico-blogueiro Peter Woit comentam que o artigo de GHK também foi concluído depois que Higgs e Brout – Englert foram submetidos à Physical Review Letters , e que Higgs sozinho havia chamado a atenção para um bóson escalar maciço previsto , enquanto todos outros se concentraram nos bósons vetoriais massivos . Desse modo, a contribuição de Higgs também forneceu aos experimentalistas um "alvo concreto" crucial para testar a teoria.

No entanto, na visão de Higgs, Brout e Englert não mencionaram explicitamente o bóson, uma vez que sua existência é claramente óbvia em seu trabalho, enquanto de acordo com Guralnik o artigo GHK era uma análise completa de todo o mecanismo de quebra de simetria cujo rigor matemático está ausente do outros dois papéis, e uma partícula massiva pode existir em algumas soluções. O artigo de Higgs também forneceu uma declaração "especialmente afiada" do desafio e de sua solução, de acordo com o historiador da ciência David Kaiser.

A explicação alternativa é que o nome foi popularizado na década de 1970 devido ao seu uso como uma abreviatura conveniente ou por causa de um erro de citação. Muitos relatos ( incluindo o próprio de Higgs ) atribuem o nome "Higgs" ao físico Benjamin Lee . Lee foi um divulgador significativo da teoria em seus primeiros dias, e habitualmente atribuiu o nome "Higgs" como uma "abreviatura conveniente" para seus componentes desde 1972. e em pelo menos um exemplo desde 1966. Embora Lee tenha esclarecido em seu notas de rodapé de que "'Higgs' é uma abreviatura de Higgs, Kibble, Guralnik, Hagen, Brout, Englert", seu uso do termo (e talvez também a citação equivocada de Steven Weinberg do artigo de Higgs como o primeiro em seu artigo original de 1967) significava que por volta de 1975-1976 outros também começaram a usar o nome 'Higgs' exclusivamente como uma abreviação. Em 2012, o físico Frank Wilczek , que foi creditado por nomear a partícula elementar, o axion (sobre uma proposta alternativa "Higglet", de Weinberg), endossou o nome "Bóson de Higgs", afirmando "A história é complicada, e onde quer que você desenhe o linha, haverá alguém logo abaixo dela. "

Apelido

O bóson de Higgs é freqüentemente referido como a "partícula de Deus" na mídia popular fora da comunidade científica. O apelido vem do título do livro de 1993 sobre o bóson de Higgs e a física de partículas, The God Particle: If the Universe Is the Answer, What Is the Question? pelo ganhador do Prêmio Nobel de Física e diretor do Fermilab , Leon Lederman . Lederman o escreveu no contexto de uma falha no apoio do governo dos EUA para o Superconductor Super Collider , um concorrente titânico parcialmente construído do Large Hadron Collider com energias de colisão planejadas de 2 × 20 TeV que foi defendido pela Lederman desde seu início em 1983 e encerrado em 1993 O livro buscou em parte promover a conscientização sobre a importância e a necessidade de tal projeto em face de sua possível perda de financiamento. Lederman, um importante pesquisador na área, escreve que gostaria de intitular seu livro A maldita partícula: Se o universo é a resposta, qual é a pergunta? O editor de Lederman decidiu que o título era muito controverso e o convenceu a mudar o título para A partícula de Deus: Se o universo é a resposta, qual é a pergunta?

Embora o uso desse termo pela mídia possa ter contribuído para uma conscientização e interesse mais amplos, muitos cientistas acham que o nome é inapropriado, uma vez que é uma hipérbole sensacionalista e engana os leitores; a partícula também não tem nada a ver com nenhum Deus , deixa em aberto inúmeras questões na física fundamental e não explica a origem última do universo . Higgs , um ateu , ficou descontente e declarou em uma entrevista de 2008 que achou "embaraçoso" porque era "o tipo de uso indevido ... que acho que pode ofender algumas pessoas". O apelido também foi satirizado na grande mídia. O escritor de ciência Ian Sample afirmou em seu livro de 2010 sobre a pesquisa que o apelido é "ódio universal [d]" pelos físicos e talvez o "pior ridicularizado" na história da física , mas que (de acordo com Lederman) a editora rejeitou todos os títulos mencionando "Higgs" como sem imaginação e muito desconhecido.

Lederman começa com uma revisão da longa busca humana por conhecimento e explica que seu título irônico faz uma analogia entre o impacto do campo de Higgs nas simetrias fundamentais no Big Bang e o aparente caos de estruturas, partículas , forças e interações que resultaram e moldaram nosso universo atual, com a história bíblica de Babel na qual a língua única primordial do início do Gênesis foi fragmentada em muitas línguas e culturas díspares .

Hoje ... temos o modelo padrão, que reduz toda a realidade a uma dúzia ou mais de partículas e quatro forças ... É uma simplicidade duramente conquistada [...] e notavelmente preciso. Mas também é incompleto e, de fato, internamente inconsistente ... Este bóson é tão central para o estado da física hoje, tão crucial para nosso entendimento final da estrutura da matéria, embora tão evasivo, que dei a ele um apelido : a partícula de Deus. Por que God Particle? Duas razões. Primeiro, o editor não nos deixaria chamá-lo de Partícula Maldita, embora esse pudesse ser um título mais apropriado, dada sua natureza vil e os custos que está causando. E dois, há uma espécie de conexão com outro livro , um muito mais antigo ...
- Lederman & Teresi The God Particle: Se o Universo é a resposta, qual é a pergunta

Lederman pergunta se o bóson de Higgs foi adicionado apenas para deixar perplexo e confundir aqueles que buscam conhecimento do universo, e se os físicos ficarão confusos por ele, conforme narrado naquela história, ou no final das contas superarão o desafio e compreenderão "quão belo é o universo [Deus tem ] feito".

Outras propostas

Uma competição de renomeação do jornal britânico The Guardian em 2009 resultou em seu correspondente científico escolhendo o nome "o bóson da garrafa de champanhe " como a melhor apresentação: "O fundo de uma garrafa de champanhe tem a forma do potencial Higgs e é frequentemente usado como um ilustração em aulas de física. Portanto, não é um nome constrangedoramente grandioso, é memorável e [tem] alguma conexão física também. " O nome Higgson também foi sugerido em um artigo de opinião publicado na publicação online physicsworld.com do Institute of Physics .

Explicações e analogias educacionais

Fotografia da luz passando por um prisma dispersivo : o efeito arco-íris surge porque nem todos os fótons são afetados no mesmo grau pelo material dispersivo do prisma.

Tem havido considerável discussão pública de analogias e explicações para a partícula de Higgs e como o campo cria massa, incluindo a cobertura de tentativas explicativas em seu próprio direito e uma competição em 1993 pela melhor explicação popular pelo então Ministro da Ciência do Reino Unido, Sir William Waldegrave e artigos em jornais de todo o mundo.

Uma colaboração educacional envolvendo um físico do LHC e professores do ensino médio no educador do CERN sugere que a dispersão da luz  - responsável pelo arco - íris e pelo prisma dispersivo  - é uma analogia útil para a quebra de simetria do campo de Higgs e o efeito causador de massa.

Quebra de simetria
na ótica
No vácuo, a luz de todas as cores (ou fótons de todos os comprimentos de onda ) viaja na mesma velocidade , uma situação simétrica. Em algumas substâncias, como vidro , água ou ar , essa simetria é quebrada (Veja: Fótons na matéria ) . O resultado é que a luz de diferentes comprimentos de onda tem velocidades diferentes .
Quebra de simetria
na física de partículas
Nas teorias de calibre "ingênuas", os bósons de calibre e outras partículas fundamentais não têm massa - também uma situação simétrica. Na presença do campo de Higgs, essa simetria é quebrada. O resultado é que partículas de diferentes tipos terão massas diferentes.

Matt Strassler usa campos elétricos como analogia:

Algumas partículas interagem com o campo de Higgs, enquanto outras não. Essas partículas que sentem o campo de Higgs agem como se tivessem massa. Algo semelhante acontece em um campo elétrico  - objetos carregados são puxados e objetos neutros podem navegar sem serem afetados. Portanto, você pode pensar na busca de Higgs como uma tentativa de fazer ondas no campo de Higgs [ criar bósons de Higgs ] para provar que ele realmente está lá.

Uma explicação semelhante foi oferecida pelo The Guardian :

O bóson de Higgs é essencialmente uma ondulação em um campo que se diz ter surgido no nascimento do universo e abranger o cosmos até hoje ... A partícula é crucial, no entanto: é a arma fumegante , a evidência necessária para mostrar a teoria está certo.

O efeito do campo de Higgs sobre as partículas foi descrito pelo físico David Miller como semelhante a uma sala cheia de trabalhadores de partidos políticos espalhados uniformemente por uma sala: A multidão gravita e desacelera pessoas famosas, mas não desacelera outras. Ele também chamou a atenção para efeitos bem conhecidos na física do estado sólido, onde a massa efetiva de um elétron pode ser muito maior do que o normal na presença de uma rede de cristal.

Analogias baseadas em efeitos de arrasto , incluindo analogias de " xarope " ou " melaço " também são bem conhecidas, mas podem ser um tanto enganosas, uma vez que podem ser entendidas (incorretamente) como dizendo que o campo de Higgs simplesmente resiste ao movimento de algumas partículas, mas não de outras. - um simples efeito resistivo também pode entrar em conflito com a terceira lei de Newton .

Reconhecimento e prêmios

Houve uma discussão considerável antes do final de 2013 sobre como alocar o crédito se o bóson de Higgs for comprovado, feito com mais destaque porque um prêmio Nobel era esperado, e a ampla base de pessoas com direito a consideração. Estes incluem uma gama de teóricos que tornaram a teoria do mecanismo de Higgs possível, os teóricos dos artigos do PRL de 1964 (incluindo o próprio Higgs), os teóricos que derivaram deles uma teoria eletrofraca funcional e o próprio Modelo Padrão, e também os experimentalistas do CERN e outras instituições que possibilitaram a comprovação do campo e bóson de Higgs na realidade. O prêmio Nobel tem um limite de três pessoas para compartilhar um prêmio, e alguns possíveis vencedores já são detentores de prêmios por outro trabalho, ou faleceram (o prêmio só é concedido a pessoas durante a vida). Os prêmios existentes para trabalhos relacionados ao campo, bóson ou mecanismo de Higgs incluem:

  • Prêmio Nobel de Física (1979) - Glashow , Salam e Weinberg , por contribuições à teoria da interação eletromagnética e fraca unificada entre partículas elementares
  • Prêmio Nobel de Física (1999) - 't Hooft e Veltman , por elucidar a estrutura quântica das interações eletrofracas em física
  • Prêmio JJ Sakurai de Física Teórica de Partículas (2010) - Hagen, Englert, Guralnik, Higgs, Brout e Kibble, pela elucidação das propriedades de quebra espontânea de simetria na teoria relativística de calibre quadridimensional e do mecanismo para a geração consistente de vetor massas do bóson (para os documentos de 1964 descritos acima )
  • Prêmio Wolf (2004) - Englert, Brout e Higgs
  • Prêmio Especial Revelação em Física Fundamental (2013) - Fabiola Gianotti e Peter Jenni , porta-vozes da Colaboração ATLAS e Michel Della Negra, Tejinder Singh Virdee, Guido Tonelli e porta-vozes Joseph Incandela, passado e presente, da colaboração CMS, "For [ seu] papel de liderança no esforço científico que levou à descoberta da nova partícula semelhante a Higgs pelas colaborações ATLAS e CMS no Grande Colisor de Hádrons do CERN ".
  • Prêmio Nobel de Física (2013) - Peter Higgs e François Englert , pela descoberta teórica de um mecanismo que contribui para o nosso entendimento da origem da massa das partículas subatômicas, e que recentemente foi confirmado pela descoberta da partícula fundamental prevista, por os experimentos ATLAS e CMS no Large Hadron Collider do CERN

O co-pesquisador de Englert, Robert Brout , morreu em 2011 e o Prêmio Nobel normalmente não é concedido postumamente .

Além disso, a revisão de 50 anos da Physical Review Letters (2008) reconheceu os papéis de quebra de simetria PRL de 1964 e o artigo de Weinberg de 1967, A model of Leptons (o artigo mais citado em física de partículas, a partir de 2012) "cartas milestone".

Após a observação relatada da partícula semelhante a Higgs em julho de 2012, vários meios de comunicação indianos relataram a suposta negligência de crédito ao físico indiano Satyendra Nath Bose, após cujo trabalho na década de 1920 a classe de partículas " bósons " é nomeada (embora os físicos tenham descrito Conexão de Bose com a descoberta como tênue).

Aspectos técnicos e formulação matemática

O potencial para o campo de Higgs, plotado em função de e . Possui perfil de chapéu mexicano ou garrafa de champanhe no chão.

No modelo padrão, o campo de Higgs é um campo escalar de quatro componentes que forma um dupleto complexo da simetria SU (2) isospin fraca :

enquanto o campo tem carga +1/2sob a hipercarga fraca U (1) simetria.

Nota: Este artigo utiliza a convenção de escala onde a carga eléctrica, Q , o isospin fraco , t 3 , e a fraco hipercarga, Y W , estão relacionados por Q = t 3 + Y W . Uma convenção diferente usada na maioria dos outros artigos da Wikipedia é Q = T 3 +1/2Y W .

A parte Higgs do Lagrangiano é

onde e são os bósons de calibre das simetrias SU (2) e U (1), e suas respectivas constantes de acoplamento , são as matrizes de Pauli (um conjunto completo de geradores da simetria SU (2)), e e , de modo que o solo estado quebra a simetria SU (2) (veja a figura).

O estado fundamental do campo de Higgs (a parte inferior do potencial) é degenerado com diferentes estados fundamentais relacionados entre si por uma transformação de calibre SU (2). É sempre possível escolher um medidor de modo que esteja no estado fundamental . O valor esperado de no estado fundamental (o valor esperado de vácuo ou VEV) é então , onde . O valor medido deste parâmetro é ~246 GeV / c 2 . Ele possui unidades de massa e é o único parâmetro livre do Modelo Padrão que não é um número adimensional. Termos quadráticos em e surgem, que dão massas aos bósons W e Z:

com a sua relação de determinação do ângulo Weinberg , e deixar um sem massa L (1) de fotões , . A massa do próprio bóson de Higgs é dada por

Os quarks e os léptons interagem com o campo de Higgs por meio dos termos de interação de Yukawa :

onde estão quarks e léptons canhotos e destros da i- ésima geração , são matrizes de acoplamentos Yukawa onde hc denota o conjugado hermitiano de todos os termos anteriores. No estado fundamental de quebra de simetria, apenas os termos contendo permanecem, dando origem aos termos de massa para os férmions. Girando os campos de quark e lepton para a base onde as matrizes de acoplamentos Yukawa são diagonais, obtém-se

onde estão as massas dos férmions e denotam os autovalores das matrizes Yukawa.

Veja também

Modelo Padrão
De outros

Notas

Referências

  • Griffiths, David (2008). Introdução às Partículas Elementares (2ª edição revisada). WILEY-VCH. ISBN 978-3-527-40601-2.

Leitura adicional

links externos

Ciência popular, mídia de massa e cobertura geral

Artigos importantes e outros

Apresentações ao campo